基于石油化工裝置工藝管道的設(shè)計(jì)研究

【摘 要】為了更好地制定工藝設(shè)計(jì)方案，很多的管道工程公司都開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有自己的管道工藝設(shè)計(jì)軟件，各個(gè)公司間軟件的功能以及適用范圍不是很一樣，但都對(duì)設(shè)計(jì)人員制定工藝設(shè)計(jì)方案有一定的幫助。本文通過(guò)對(duì)石油管道工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，分析了總費(fèi)用現(xiàn)值的限制條件以及管道優(yōu)化的方法。

【關(guān)鍵詞】石油化工裝置；工藝管道；設(shè)計(jì)研究

不同性質(zhì)的石油在統(tǒng)一管道內(nèi)運(yùn)輸，會(huì)使管道沿線的壓力特性更為復(fù)雜。沿線各分輸站實(shí)施分輸方案會(huì)影響管道沿線的水力特性和泵站的工作特性，不合適的分輸方案可能不能滿足某些分輸站的分輸要求，甚至導(dǎo)致管道系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。為了管道系統(tǒng)能夠更好地正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，必須要對(duì)石油化工裝置工藝管道進(jìn)行優(yōu)化。

一、數(shù)學(xué)模型的建立

石油化工裝置工藝管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)是尋找最適合的管材，管徑，管壁厚度以及順序輸送周期及批量等等各種油品儲(chǔ)罐設(shè)置因素組成最優(yōu)組合，同時(shí)要滿足各種的設(shè)計(jì)限制要求，才能用來(lái)優(yōu)化管道，使優(yōu)化后的管道使用更加的便利切實(shí)可用，為企業(yè)換取較好的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)于管道優(yōu)化設(shè)計(jì)建立的數(shù)學(xué)模型假設(shè)條件如下，第一，把管道劃分為管徑相同的若干個(gè)管段其中以分輸站作為間隔點(diǎn)；第二，站間管段的設(shè)計(jì)要等強(qiáng)度；第三，工藝計(jì)時(shí)算要依照等溫道來(lái)計(jì)算；第四，假設(shè)沒(méi)有減壓站。

（一）總費(fèi)用現(xiàn)值的目標(biāo)函數(shù)

總費(fèi)用現(xiàn)值就是把計(jì)算期內(nèi)用于管道建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)所使用的全部費(fèi)用按基準(zhǔn)貼現(xiàn)率折算到計(jì)算期初發(fā)生的費(fèi)用，目標(biāo)函數(shù)是在計(jì)算期內(nèi)的管道建設(shè)和運(yùn)行的總費(fèi)用現(xiàn)值的最小值，為了計(jì)算起來(lái)更加簡(jiǎn)便，其中費(fèi)用項(xiàng)只考慮了與工藝方案有關(guān)的部分。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

(1)

公式中(P/A，i’，y)代表的是現(xiàn)值系數(shù)，基準(zhǔn)貼現(xiàn)率是用i’表示，計(jì)算期的單位是年，用y代表，管徑的單位是m，xi代表第i個(gè)管段。壁厚的單位是m，δi代表第i個(gè)管段，長(zhǎng)度的單位是m，li代表第i個(gè)管段，i=1，2，#8226;#8226;#8226;，m。分輸站數(shù)目是用m來(lái)表示的。費(fèi)用的單位元，cp代表鋼管購(gòu)置費(fèi)用。安裝的費(fèi)用Ca表表示，土石方費(fèi)用是cs，ct為防腐涂層費(fèi)用。與泵機(jī)組裝機(jī)功率無(wú)關(guān)部分的投資是a，b是相關(guān)的部分，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用系數(shù)是wb，cd代表電費(fèi)，順序輸送循環(huán)周期用xc表示，儲(chǔ)罐建設(shè)費(fèi)用cg，At代表新增儲(chǔ)罐容量，T為全線儲(chǔ)罐總?cè)萘?。f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8，分別代表線路初始投資，線路維護(hù)管理費(fèi)用的累加值，泵站初始投資，泵站維護(hù)管理費(fèi)用累加值，泵站年能耗費(fèi)用現(xiàn)值累加值，新增儲(chǔ)罐初始投資，用于混油處理費(fèi)用的現(xiàn)值累加值，儲(chǔ)罐的維護(hù)管理費(fèi)用現(xiàn)值累加值。

（二）總費(fèi)用現(xiàn)值的限制條件

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，各管段管徑和順序輸送循環(huán)周期以及泵站出口壓力等等都是變量，目標(biāo)函數(shù)是一個(gè)非線性函數(shù)。鋼管強(qiáng)度限制和鋼管穩(wěn)定性限制以及鋼管的規(guī)格限制，還有工藝操作條件限制和水力以及流態(tài)限制等都是管道工藝設(shè)計(jì)方案優(yōu)化其中的限制條件。

二、管道的優(yōu)化

可以有兩個(gè)層次來(lái)優(yōu)化石油化工裝置的管道，一是優(yōu)化順序輸送循環(huán)周期，二是優(yōu)化管徑和壁厚以及設(shè)計(jì)壓力等參數(shù)。優(yōu)化順序輸送循環(huán)周期時(shí)，可以使用一維搜尋法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)榭傎M(fèi)用現(xiàn)值與順序輸送循環(huán)周期是單峰函數(shù)關(guān)系。

從數(shù)學(xué)模型中可以看出，對(duì)管徑和壁厚以及設(shè)計(jì)壓力等參數(shù)的優(yōu)化方法是非線性混合整數(shù)規(guī)劃，求解時(shí)很難找到通用的優(yōu)化方法。離散復(fù)合形法以及外部近似法等是用來(lái)解決這類(lèi)問(wèn)題的常用方法，但是他們對(duì)優(yōu)化函數(shù)有一定的限制，而且初值對(duì)優(yōu)化結(jié)果有很大影響，容易局部較小。差分進(jìn)化算法是一種有效的全局搜尋方法，已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，它具不需要求導(dǎo)和其他輔助信息特點(diǎn)。解決非線性混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題時(shí)，把雜交差分進(jìn)化算法引入其中，可以快速的找到優(yōu)化的方法。在此基礎(chǔ)上采用動(dòng)態(tài)改變懲罰力度來(lái)處理限制條件，既可以使解多樣性，又能找到最優(yōu)解。

離散設(shè)計(jì)壓力為一系列的離散值來(lái)簡(jiǎn)單地求解，并對(duì)適應(yīng)值函數(shù)采用實(shí)數(shù)編碼制使用如下方式進(jìn)行處理。①懲罰非可行點(diǎn)，懲罰程度隨著違反限制條件的程度增大而增大。②懲罰力度隨著進(jìn)化代數(shù)的增加而逐漸增大，懲罰程度在進(jìn)化初期應(yīng)該小一些(a<1)。③管道總費(fèi)用現(xiàn)值是可行點(diǎn)適應(yīng)值函數(shù)，當(dāng)某一代的最好和最差個(gè)體的適應(yīng)值相差小于0.1%則算法終止。

，當(dāng)且（2）

，當(dāng)或（3）

各分輸站在石油管道建設(shè)之初，位置就已經(jīng)確定，為了減少建設(shè)費(fèi)用并且為以后的運(yùn)行管理帶來(lái)便捷，設(shè)計(jì)人員一般都希望將泵站和分輸站合并。在確定泵站可選位置的前提下，石油管道系統(tǒng)總體工藝方案設(shè)計(jì)的展示采用的是賦權(quán)有向圖。假設(shè)把圖的頂點(diǎn)作為泵站位置候選點(diǎn)，總費(fèi)用現(xiàn)值是兩個(gè)頂點(diǎn)間管段的弧的權(quán)值。兩個(gè)頂點(diǎn)間有無(wú)弧可以根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和管徑的取值范圍來(lái)確定，設(shè)兩頂點(diǎn)間無(wú)弧時(shí)弧的權(quán)值為無(wú)窮大，兩點(diǎn)的權(quán)值最小的路徑就是最短路徑。最優(yōu)工藝設(shè)計(jì)方案就是從起點(diǎn)到終點(diǎn)所有路徑中權(quán)值最小的路徑。為了綜合比較工藝設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際情況中，會(huì)擴(kuò)充最短路徑問(wèn)題，選出N條最短路徑。圖1的最短路徑問(wèn)題示意圖，其中包括7個(gè)泵站位置候選點(diǎn)。

圖1最短路徑示意圖

如下來(lái)分步求解，①把各個(gè)管段的流量極限值計(jì)算出來(lái)，包括最大值和最小值，并確定可選的管徑；②確定出順序輸送循環(huán)周期，在滿足設(shè)計(jì)限制的條件下計(jì)算任意2個(gè)泵站位置候選點(diǎn)間管道總費(fèi)用現(xiàn)值；③為了能夠確定最優(yōu)管徑和設(shè)計(jì)壓力以及順序輸送循環(huán)周期，使用一維搜尋法重復(fù)改變順序輸送循環(huán)周期，利用循環(huán)調(diào)用Dijkstra算法計(jì)算出前N條最短路徑；④最后要對(duì)工藝方案校核。

三、結(jié)束語(yǔ)

石油化工裝置工藝管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在尋找最適合的管材和管徑以及操作壓力等等各種油品儲(chǔ)罐設(shè)置等因素組成最優(yōu)組合來(lái)優(yōu)化管道，同時(shí)要滿足各種的設(shè)計(jì)限制要求，管道系統(tǒng)能夠更好地正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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